研究人員提出了一種簡(jiǎn)單廉價(jià)的方法來(lái)在塑料薄膜上制造碳納米管布線

碳納米管(CNT)是由碳原子制成的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、低重量以及出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等非常理想的物理特性。這使它們成為各種應(yīng)用的理想材料，包括增強(qiáng)材料、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備以及電子產(chǎn)品。

然而，盡管潛力巨大，但在將CNT商業(yè)化方面仍存在挑戰(zhàn)，例如將它們結(jié)合到塑料基板上以制造基于CNT的柔性設(shè)備。傳統(tǒng)的制造方法需要仔細(xì)控制環(huán)境，例如高溫和潔凈室。此外，它們需要重復(fù)轉(zhuǎn)移以生產(chǎn)具有不同電阻值的CNT。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更直接的方法，例如激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移(LIFT)和熱聚變(TF)作為替代方法。在LIFT方法中，使用激光將CNT直接轉(zhuǎn)移到基板上，而在TF中，CNT與聚合物混合，然后通過(guò)激光選擇性地去除聚合物，形成具有不同電阻值的CNT線。

然而，這兩種方法都很昂貴并且有其獨(dú)特的問(wèn)題。LIFT需要昂貴的脈沖激光器和具有特定電阻值的CNT的制備，而TF使用大量未被利用和浪費(fèi)的CNT。

為了開(kāi)發(fā)一種更簡(jiǎn)單、成本更低的方法，副教授TakashiIkuno博士和他的合作者日本東京理科大學(xué)的HiroakiKomatsu先生、YosukeSugita先生和TakahiroMatsunami先生最近提出了一種新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)使用低成本激光在環(huán)境條件(室溫和大氣壓力)下在塑料薄膜上制造多壁碳納米管(MWNT)布線。

這項(xiàng)突破發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上，涉及在聚丙烯(PP)薄膜上涂上一層約10μm厚的MWNT薄膜，然后將其暴露在mW紫外激光下。結(jié)果是由MWNT和PP的組合制成的導(dǎo)電布線。

Ikuno博士說(shuō)：“這個(gè)過(guò)程可以輕松‘繪制’可穿戴傳感器的布線和柔性設(shè)備，而無(wú)需復(fù)雜的過(guò)程。”

研究人員將這些線的形成歸因于MWNT和PP薄膜之間的熱導(dǎo)率差異。當(dāng)MWNT/PP薄膜暴露在激光下時(shí)，MWNT層的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致熱量沿線的長(zhǎng)度傳播，導(dǎo)致MWNT-PP界面處的高溫和PP薄膜其他地方的較低溫度.

在激光正下方，溫度最高的地方，PP擴(kuò)散到MWNT薄膜中，形成厚的PP/MWNT復(fù)合材料，而薄的PP/MWNT層則在溫度相對(duì)較低的激光邊緣形成。

所提出的方法還允許通過(guò)簡(jiǎn)單地改變輻照條件在同一過(guò)程中(無(wú)需重復(fù)轉(zhuǎn)移)制造具有不同電阻值的碳線，從而消除了額外步驟的需要。將PP/MWNT薄膜暴露于高激光能量(通過(guò)低掃描速度、大量激光曝光或使用高功率激光實(shí)現(xiàn))會(huì)產(chǎn)生具有更高濃度MWNT的更粗線。

因此，較低的MWNT電阻率和較粗的導(dǎo)線會(huì)降低單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電阻(電阻與導(dǎo)線的電阻率和厚度之間的比率成正比)。

通過(guò)精確控制MWNT/PP薄膜在激光下的曝光，研究人員成功制造出電阻值范圍從0.789kΩ/cm到114kΩ/cm的MWNT線材。此外，這些電線非常柔韌，即使反復(fù)彎曲也能保持其阻力。

此外，該方法解決了當(dāng)前技術(shù)的一個(gè)緊迫問(wèn)題，即LIFT和TF技術(shù)無(wú)法重復(fù)使用制造過(guò)程中未使用的CNT。在所提出的方法中，可以回收和重復(fù)使用在激光照射期間未摻入PP薄膜的MWNT，從而允許創(chuàng)建新的MWNT線，電阻值幾乎沒(méi)有變化或沒(méi)有變化。

憑借其簡(jiǎn)單、碳納米管的高效利用以及制造高質(zhì)量線材的能力，新方法有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造用于柔性傳感器和能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備的柔性碳線。

“與傳統(tǒng)方法相比，我們預(yù)計(jì)工藝成本將顯著降低。這反過(guò)來(lái)將有助于實(shí)現(xiàn)低成本的柔性傳感器，這些傳感器有望大量廣泛應(yīng)用，”Ikuno博士總結(jié)道。

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